DE102018211102A1 - Valve assembly and fluid flow control element - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Fluidstromkontrollelement. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Strömungsmaschinenanlage umfassend eine derartige Ventilanordnung und/oder Fluidstromkontrollelement. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Verwendung betreffend die Ventilanordnung und/oder das Fluidstromkontrollelement. The present invention relates to a valve arrangement. The present invention further relates to a fluid flow control element. Furthermore, the present invention relates to a turbomachine system comprising such a valve arrangement and / or fluid flow control element. Furthermore, the present invention relates to a method and a use relating to the valve arrangement and / or the fluid flow control element.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Fluidstromkontrollelement umfassend eine erfindungsgemäße Ventilanordnung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Strömungsmaschinenanlage umfassend eine Ventilanordnung und/oder ein Fluidstromkontrollelement. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung oder Instandsetzung einer Strömungsmaschinenanlage umfassend eine Ventilanordnung und/oder Fluidstromkontrollelement. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer Ventilanordnung oder eines Fluidstromkontrollelements.The present invention relates to a valve arrangement. Furthermore, the present invention relates to a fluid flow control element comprising a valve arrangement according to the invention. Furthermore, the present invention relates to a turbomachine system comprising a valve arrangement and / or a fluid flow control element. Furthermore, the present invention relates to a method for providing or repairing a turbomachine system comprising a valve arrangement and / or fluid flow control element. The present invention further relates to the use of a valve arrangement or a fluid flow control element.
Strömungsmaschinenanlagen sind ein wichtiger Bestandteil der heutigen Industrie und sind beispielsweise bei der Energieerzeugung von besonderer Bedeutung. Hierbei haben derartige Strömungsmaschinenanlagen vielfältige Weiterentwicklungen durchlaufen. Auch sehr etablierte Systeme wie Dampfturbinenanlagen sind hierbei beständig Thema von Weiterentwicklungen und neuen Anforderungen ausgesetzt. Beispielsweise resultieren neue Herausforderungen wie der Ausgleich der schwankenden Einspeisungen von erneuerbaren Energiequellen wie Windenergie und Solarenergie oder auch verschärfte Anforderungen hinsichtlich Arbeitssicherheit und verstärkter Kostendruck in einem beständigen Bedarf auch derartige Systeme immer weiter zu optimieren.Turbomachinery systems are an important part of today's industry and are of particular importance, for example, in the generation of energy. Here, turbomachine systems of this type have undergone various further developments. Even very established systems such as steam turbine systems are constantly subject to further developments and new requirements. For example, new challenges such as balancing the fluctuating feed-in from renewable energy sources such as wind energy and solar energy or even stricter requirements with regard to occupational safety and increased cost pressure result in a constant need to optimize such systems more and more.
Beispielsweise ist hierbei der Wunsch nach einem einfach regelbaren und wartungsfreundlicheren Regelungssystem des Fluidstroms der Strömungsmaschinenanlagen vorhanden. Gleichzeitig muss hierbei jedoch die Sicherheit insbesondere für die Mitarbeiter zumindest beibehalten werden. Vorzugsweise soll auch hierbei eine Verbesserung erzielt werden. Dies ist von besonderer Bedeutung für Systeme wie die Dampfturbinenanlagen, bei denen ein Fluidstrom unter hohem Druck eingesetzt wird. Gleichzeitig soll das System jedoch möglichst zuverlässig und wartungsarm sein, wobei auch ein hoher Fertigungsaufwand resultierend in hohen Ersatzteilkosten und erhöhtem Risiko von Produktionsmängeln möglichst minimiert werden soll.For example, there is a desire for an easily controllable and more maintenance-friendly control system for the fluid flow of the turbomachine systems. At the same time, however, security must at least be maintained, especially for employees. An improvement should preferably also be achieved here. This is of particular importance for systems such as steam turbine plants, in which a fluid flow under high pressure is used. At the same time, however, the system should be as reliable and low-maintenance as possible, and high manufacturing costs resulting in high spare parts costs and increased risk of production defects should also be minimized.
Diese Aufgaben werden durch die Vorrichtungen, das Verfahren und die Verwendung, wie hierin beschrieben und in an Ansprüchen ausgeführt, gelöst. Die abhängigen Ansprüche und weitere Beschreibung enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, welche weitere Vorteile bereitstellen, die auch zusätzliche Probleme lösen können.These objects are achieved by the devices, method, and use as described herein and as set out in claims. The dependent claims and further description contain advantageous refinements of the invention which provide further advantages which can also solve additional problems.
Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Ventilanordnung zur Regelung eines Fluidstroms umfassend ein stationäres Element und ein bewegliches Element, wobei das stationäre Element einen Hohlraum aufweist, in dem sich das bewegliche Element bewegt, wobei das bewegliche Element geeignet ist entlang einer ersten Achse translatorisch innerhalb des Hohlraums des stationären Elements bewegt zu werden, wobei das bewegliche Element Kolbenelement und eine stabförmiges Koppelelement umfasst, wobei das Kolbenelement eine Außenseite parallel zur ersten Achse aufweist, wobei die Ventilanordnung derart gestaltet ist, dass ein Durchfluss des Fluidstroms zwischen stationärem Element und Außenseite des Kolbenelements verhindert wird, wobei das Kolbenelement eine Kontaktkante aufweist, die geeignet ist einen Ventilsitz zu kontaktieren, wobei das Kolbenelement gegenüber der Kontaktkante eine Rückseite aufweist, wobei das Koppelelement an der Rückseite des Kolbenelements befestigt ist.According to one aspect, the present invention relates to a valve arrangement for regulating a fluid flow, comprising a stationary element and a movable element, the stationary element having a cavity in which the movable element moves, the movable element being suitable translationally along a first axis within of the cavity of the stationary element, wherein the movable element comprises a piston element and a rod-shaped coupling element, the piston element having an outside parallel to the first axis, the valve arrangement being designed such that a flow of the fluid flow between the stationary element and the outside of the piston element is prevented, the piston element having a contact edge which is suitable for contacting a valve seat, the piston element having a rear side opposite the contact edge, the coupling element being on the rear side of the piston element is increasing.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung Fluidstromkontrollelement umfassend eine erfindungsgemäße Ventilanordnung, eine Fluidstromleitung und einer Fluidstromeintrittsöffnung umfassend einen Ventilsitz innerhalb der Fluidstromleitung, wobei der Ventilsitz geeignet ist die Kontaktkante der Ventilanordnung zu kontaktieren.According to a further aspect, the present invention relates to a fluid flow control element comprising a valve arrangement according to the invention, a fluid flow line and a fluid flow inlet opening comprising a valve seat within the fluid flow line, the valve seat being suitable to contact the contact edge of the valve arrangement.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Strömungsmaschinenanlage umfassend mindestens eine erfindungsgemäße Ventilanordnung und/oder ein erfindungsgemäßes Fluidstromkontrollelement.According to a further aspect, the present invention relates to a turbomachine system comprising at least one valve arrangement according to the invention and / or a fluid flow control element according to the invention.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung oder Instandsetzung einer Strömungsmaschinenanlage, vorzugsweise einer Dampfturbinenanlage, wobei das Verfahren den Einbau oder die Instandsetzung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung oder eines erfindungsgemäßen Fluidstromkontrollelements umfasst.According to a further aspect, the present invention relates to a method for providing or repairing a turbomachine system, preferably a steam turbine system, the method comprising installing or repairing a valve arrangement according to the invention or a fluid flow control element according to the invention.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung oder eines erfindungsgemäßen Fluidstromkontrollelements zur Regelung des Fluidstroms einer Strömungsmaschinenanlage, vorzugsweise einer Dampfturbinenanlage. Der Begriff „Regelung“ im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet die Einstellung eines gewünschten Fluidstroms sowie insbesondere das Blockieren des Fluidstroms.According to a further aspect, the present invention relates to the use of a valve arrangement according to the invention or a fluid flow control element according to the invention for regulating the fluid flow of a turbomachine system, preferably a steam turbine system. The term “regulation” in the sense of the present invention denotes the setting of a desired fluid flow and in particular the blocking of the fluid flow.
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung und der in Verbindung hiermit beschriebenen Abbildungen verwiesen. Die Abbildungen sind hierbei jedoch nur als Verdeutlichung der Erfindung zu verstehen und stellen nur besonders bevorzugte Ausführungsformen und keine Einschränkung der Erfindung dar.For a more complete understanding of the present invention, reference is made to the following detailed description and the figures described in connection with it. However, the figures are only to be understood as an illustration of the invention and only represent particularly preferred embodiments and not a limitation of the invention.
Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die vorgenannten Ventilanordnung.In one aspect, the present invention relates to the aforementioned valve arrangement.
Diese erlauben die Kontrolle eines Fluidstroms insbesondere einer Strömungsmaschinenanlage wie einer Dampfturbinenanlage unter Einsatz nur sehr geringer Stellkräfte. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass mittels der erfindungsgemäßen Ventilanordnung die erforderliche Stellkraft auch bei Regelung hoher Drücke des Fluidstroms wie beispielsweise mehr als 100 bar, beispielsweise 150 bar, um mehr als 90 % gegenüber bekannten Systemen, wie unter Einsatz eines bekannten Ventilanordnung wie in
Dies erlaubt den Einsatz von Antriebselementen mit drastisch verringerten Anforderungen auch in hochbelasteten Bereichen beispielsweise bei Strömungsmaschinenanlagen wie Dampfturbinenanlagen. Insbesondere können hierbei einfache elektromechanische Antriebselemente genutzt werden, die eine exakte Regelung, einen einfachen Austausch, deutlich verminderte Betriebskosten, Wartungskosten und Anschaffungskosten, sowie eine erhöhte Betriebssicherheit bieten. Selbst der Einsatz von beispielsweise hydraulischen oder pneumatischen Antriebselementen, welche für diese deutlich niedrigeren Stellkräfte ausgelegt sind, hat noch immer deutliche Vorteile gegenüber der Verwendung von beispielsweise derzeit verwendeten Hochdruckhydrauliken.This allows the use of drive elements with drastically reduced requirements even in highly stressed areas, for example in turbomachinery systems such as steam turbine systems. In particular, simple electromechanical drive elements can be used which offer precise control, simple replacement, significantly reduced operating costs, maintenance costs and acquisition costs, and increased operational reliability. Even the use of, for example, hydraulic or pneumatic drive elements, which are designed for these significantly lower actuating forces, still has clear advantages over the use of, for example, currently used high-pressure hydraulics.
Gleichzeitig zeigte sich überraschenderweise, dass die erfindungsgemäße Ventilanordnung ein deutlich erhöhte Zuverlässigkeit bei gleichzeitig vermindertem Fertigungsaufwand verglichen mit Lösungen wie Doppelsitzventilen, die beispielsweise Probleme hinsichtlich der Bereitstellung der erforderlichen Dichtigkeit aufweisen und gleichzeitig einen sehr hohen Fertigungsaufwand mit sich bringen. Dies gilt insbesondere für hochbelastete Einsatzzwecke wie in den Zuleitungsbereichen des Fluidstroms zur Turbineneinheit bei Strömungsmaschinenanlagen. Als Beispiel sind hierbei insbesondere die Dampfturbinenanlagen zu nennen, bei denen ein hoher Druck sicher geregelt werden muss.At the same time, it was surprisingly found that the valve arrangement according to the invention has a significantly increased reliability with a reduced manufacturing effort compared to solutions such as double-seat valves which, for example, have problems with the provision of the required tightness and at the same time involve a very high manufacturing effort. This applies in particular to highly stressed applications such as in the supply areas of the fluid flow to the turbine unit in turbomachinery systems. Steam turbine systems, in which a high pressure must be safely regulated, should be mentioned here as an example.
Nachfolgend werden exemplarisch einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, die weitere spezielle Vorteile bieten. Die Gegenstände dieser Ausführungsformen können auch beliebig miteinander kombiniert werden, um besonders vorteilhafte Ausführungsformen für spezielle Anwendungsfälle bereitzustellen.Some embodiments of the present invention are described below by way of example, which offer further special advantages. The subjects of these embodiments can also be combined with one another as desired in order to provide particularly advantageous embodiments for special applications.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Rückseite mindestens einen Durchgang aufweist, wobei der mindestens eine Durchgang den Bereich hinter der Rückseite und den gegenüberliegenden Bereich innerhalb der Kontaktkante verbindet. Dies erlaubt einen besonders einfachen Druckausgleich auf beiden Seiten. Da beispielsweise kein Druckausgleich mit dem Raum außerhalb der Fluidstromleitung erforderlich ist, handelt es sich somit um ein abgeschlossenes System, was die Betriebssicherheit weiter erhöht.In further embodiments, it is preferred that the rear side has at least one passage, the at least one passage connecting the area behind the rear side and the opposite area within the contact edge. This allows a particularly simple pressure equalization on both sides. For example, since no pressure equalization with the space outside the fluid flow line is required, it is a closed system, which further increases operational safety.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Kolbenelement eine auf der Kontaktkantenseite offene Topfform mit einer Seitenwand aufweist, wobei das Kolbenelement gegenüber der Kontaktkante eine Rückwand aufweist, wobei die Rückwand mindestens einen Durchgang aufweist. Hierdurch wird es möglich das Gewicht des Kolbenelements deutlich zu reduzieren, wobei überraschenderweise die Ventilanordnung noch immer zuverlässig genug für den Einsatz auch in hochbelasteten Fällen wie in den Dampfleitungen einer Dampfturbinenanlage beispielsweise zwischen Dampferzeuger und Dampfturbine ist. Überraschenderweise zeigten sich entsprechende Ventilanordnungen insbesondere hinsichtlich ihres Verschleißes über längere Nutzung als typischerweise überlegen.In further embodiments, it is preferred that the piston element has a pot shape open on the contact edge side with a side wall, the piston element having a rear wall opposite the contact edge, the rear wall having at least one passage. This makes it possible to significantly reduce the weight of the piston element, and surprisingly the valve arrangement is still reliable enough for use even in highly stressed conditions Cases as in the steam lines of a steam turbine system, for example, between the steam generator and the steam turbine. Surprisingly, corresponding valve arrangements, in particular with regard to their wear over longer periods of use, were found to be typically superior.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass der Kolbendurchmesser mindestens 75 % des Ventilsitzdurchmessers, mehr bevorzugt mindestens 85 % des Ventilsitzdurchmessers, noch mehr bevorzugt mindestens 90 % des Ventilsitzdurchmessers beträgt. Hiermit können insbesondere kompakte Fluidstromkontrollelemente realisiert werden.In further embodiments, it is preferred that the piston diameter is at least 75% of the valve seat diameter, more preferably at least 85% of the valve seat diameter, even more preferably at least 90% of the valve seat diameter. In particular, compact fluid flow control elements can be realized with this.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass der Kolbendurchmesser höchstens 99,5 %, mehr bevorzugt höchsten 99 %, des Ventilsitzdurchmessers beträgt. Überraschenderweise erwies es sich typischerweise als vorteilhaft den Bereich der Kontaktkante zu verbreitern, wobei ein verbesserter Kontakt zwischen Kontaktkante und Ventilsitz erreicht wurde.In further embodiments, it is preferred that the piston diameter is at most 99.5%, more preferably at most 99%, of the valve seat diameter. Surprisingly, it typically turned out to be advantageous to widen the area of the contact edge, an improved contact between the contact edge and the valve seat being achieved.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass sich die Kontaktkante auf einer Verdickung des Kolbenelements, vorzugsweise einer Wulst, befindet. Insbesondere ist es bevorzugt, dass sich die Verdickung zumindest teilweise weg von der ersten Achse erstreckt. Durch die Bereitstellung einer derartigen Verdickung kann beispielsweise eine Angriffsfläche für den Fluidstrom bereitgestellt werden, die in der Geschlossenstellung des Ventils einen zusätzlichen Druck ausübt und das Ventil geschlossen hält. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, sollte das Koppelelement brechen oder eine Sicherung der Position des beweglichen Elements während des Austauchs der Antriebs versagen.In further embodiments, it is preferred that the contact edge is located on a thickening of the piston element, preferably a bead. In particular, it is preferred that the thickening extends at least partially away from the first axis. By providing such a thickening, it is possible, for example, to provide an attack surface for the fluid flow, which exerts an additional pressure in the closed position of the valve and which keeps the valve closed. This is advantageous, for example, if the coupling element breaks or if the position of the movable element fails during the replacement of the drive.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Außenseite des Kolbenelements mindestens eine Dichtung, mehr bevorzugt mindestens zwei Dichtungen, aufweist, wobei die Dichtung vorzugsweise ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Labyrinthdichtungen wie Durchblicklabyrinthdichtungen, Kolbenringen und Bürstendichtungen, mehr bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Labyrinthdichtungen wie Durchblicklabyrinthdichtungen und Kolbenringen. Insbesondere ist es typischerweise bevorzugt, wenn die Außenseite der Seitenwand und/oder die der Außenseite der Seitenwand gegenüberliegende Innenseite des Hohlraums, vorzugsweise die Außenseite der Seitenwand, mindestens eine Labyrinthdichtung und mindestens einen Kolbenring aufweist. Labyrinthdichtungen können hierbei in verschiedenen Formen ausgeführt werden. Beispielsweise können sie entweder aus der betreffenden Oberfläche herausragen oder in der Form von Einfräsungen in der betreffenden Oberfläche vorliegen. Für Anwendungsfälle von hohen Drücken des Fluidstromes wie beispielsweise bei Dampfturbinenströmungsanlagen hat es sich typischerweise als vorteilhaft erwiesen die Labyrinthdichtung in der Form von Einfräsungen der Oberfläche auszuführen.In further embodiments, it is preferred that the outside of the piston element has at least one seal, more preferably at least two seals, the seal preferably being selected from the group consisting of labyrinth seals such as see-through labyrinth seals, piston rings and brush seals, more preferably from the group consisting of Labyrinth seals such as see-through labyrinth seals and piston rings. In particular, it is typically preferred if the outside of the side wall and / or the inside of the cavity opposite the outside of the side wall, preferably the outside of the side wall, has at least one labyrinth seal and at least one piston ring. Labyrinth seals can be designed in different forms. For example, they can either protrude from the surface in question or be present in the form of cutouts in the surface in question. For applications of high pressures of the fluid flow, such as for example in steam turbine flow systems, it has typically proven to be advantageous to design the labyrinth seal in the form of milled surfaces.
Entsprechende Einfräsungen für Labyrinthdichtungen werden typischerweise besonders einfach, im Wesentlichen senkrecht zur entsprechenden Oberfläche, hergestellt. Jedoch kann eine derartige Einfräsung natürlich auch angewinkelt werden. Vorzugsweise weisen entsprechende Einfräsungen einen Winkel von 45° bis 135°, mehr bevorzugt einen Winkel von 55° bis 125°, noch mehr bevorzugt einen Winkel von 80° bis 100°, auf, bezogen auf die entsprechende Oberfläche, in der die Einfräsungen eingebracht werden.Corresponding millings for labyrinth seals are typically produced in a particularly simple manner, essentially perpendicular to the corresponding surface. However, such a milling can of course also be angled. Corresponding millings preferably have an angle of 45 ° to 135 °, more preferably an angle of 55 ° to 125 °, even more preferably an angle of 80 ° to 100 °, based on the corresponding surface in which the millings are made ,
Insbesondere ist es typischerweise bevorzugt, wenn die Außenseite der Seitenwand und/oder die der Außenseite der Seitenwand gegenüberliegende Innenseite des Hohlraums, vorzugsweise die Außenseite der Seitenwand, mindestens eine Labyrinthdichtung und mindestens einen Kolbenring aufweist. Bereits eine derartige Labyrinthdichtung ist typischerweise ausreichend, um die Leckage unter einem akzeptablen Grenzwert auch beispielsweise bei hochbelasteten Anwendungen wie in Dampfzuleitungen zur Turbine bei Dampfturbinenanlagen zu halten. Die Kombination mit beispielsweise einem Kolbenring zur weiteren Verringerung und Absicherung erlaubt nicht nur die Leckage weiter zu reduzieren, sondern auch die Zuverlässigkeit weiter zu erhöhen.In particular, it is typically preferred if the outside of the side wall and / or the inside of the cavity opposite the outside of the side wall, preferably the outside of the side wall, has at least one labyrinth seal and at least one piston ring. Such a labyrinth seal is typically sufficient to keep the leakage below an acceptable limit value, for example in highly stressed applications such as in steam feed lines to the turbine in steam turbine systems. The combination with, for example, a piston ring for further reduction and protection not only makes it possible to further reduce the leakage, but also to further increase the reliability.
Typischerweise ist es bevorzugt, dass das Kolbenelement eine runde Form aufweist. Insbesondere ist es typischerweise bevorzugt, dass der Querschnitt des Kolbenelements senkrecht zur ersten Achse oval oder kreisförmig, mehr bevorzugt kreisförmig, ist. Zwar sind auch andere Formen wie rechteckig, quadratisch oder dreieckig, insbesondere mit abgerundeten Kanten, denkbar, jedoch haben sich derartige Runde Formen für den vorliegenden Fall als besonders vorteilhaft erwiesen, da diese hervorragend abzudichten und einfach herzustellen sind.It is typically preferred that the piston element has a round shape. In particular, it is typically preferred that the cross section of the piston element perpendicular to the first axis is oval or circular, more preferably circular. Although other shapes such as rectangular, square or triangular, in particular with rounded edges, are also conceivable, such round shapes have proven to be particularly advantageous for the present case, since they are excellent to seal and easy to manufacture.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass zwischen Koppelelement und stationärem Element eine Stopfbuchspackung angeordnet ist. Die Stopfbuchspackung stellt eine besonders zuverlässige Abdichtung gegen beispielsweise Dampfaustritt aus dem Ventilanordnung oder Atmosphäreneintritt in der Ventilanordnung bereit. Hierbei werden vorzugsweise verschiedene Ringe und/oder Buchsen kombiniert, um eine hochbelastbare und dennoch zuverlässige Abdichtung zu erzielen. Insbesondere bevorzugt bestehen die Ringe und/oder Buchsen zumindest teilweise, mehr bevorzugt zu mindestens 50% bezogen auf deren Anzahl, mehr bevorzugt vollständig, aus Graphit und/oder Edelstahl. In further embodiments, it is preferred that a stuffing box packing is arranged between the coupling element and the stationary element. The gland packing provides a particularly reliable seal against, for example, steam escaping from the valve arrangement or atmospheric entry in the valve arrangement. Here, different rings and / or bushings are preferably combined in order to achieve a highly resilient and yet reliable seal. The rings and / or bushings particularly preferably consist of graphite and / or stainless steel at least partially, more preferably at least 50% based on their number, more preferably completely.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Koppelelement zumindest teilweise, mehr bevorzugt im Bereich der Stopfbuchspackung, mit einer Hartstoffbeschichtung beschichtet ist. Eine derartige Beschichtung kann beispielsweise mit Detonationsbeschichtung, Laserauftragsschweißen, Nitrieren, Plasmaspritzen, Niedertemperaturplasmabeschichtung, Flammspritzen oder Kombinationen hiervon, mehr bevorzugt Detonationsbeschichtung, Laserauftragsschweißen, Nitrieren, Plasmaspritzen oder Kombinationen hiervon, noch mehr bevorzugt Detonationsbeschichtung, Laserauftragsschweißen oder Kombinationen hiervon, versehen werden. Ein besonders bevorzugtes Beschichtungsverfahren ist die Detonationsbeschichtung. Hiermit können besonders belastbare Beschichtungen erzielt werden.In further embodiments, it is preferred that the coupling element is at least partially, more preferably in the area of the stuffing box packing, coated with a hard material coating. Such a coating can be provided, for example, with detonation coating, laser cladding, nitriding, plasma spraying, low-temperature plasma coating, flame spraying or combinations thereof, more preferably detonation coating, laser cladding, nitriding, plasma spraying or combinations thereof, even more preferably detonation coating, laser cladding or combinations thereof. A particularly preferred coating method is detonation coating. Particularly robust coatings can be achieved in this way.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das stationäre Element im Bereich der Stopfbuchspackung einen Einspritzkanal aufweist. Ein derartiger Einspritzkanal kann beispielsweise genutzt werden, um eine abdichtende Masse wie Graphitpaste einzuspritzen und eine Notreparatur durchzuführen. Dies ist eine sehr vorteilhafte zusätzliche Absicherung, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Ventilanordnung weiter zu erhöhen.In further embodiments, it is preferred that the stationary element has an injection channel in the area of the stuffing box packing. Such an injection channel can be used, for example, to inject a sealing compound such as graphite paste and to carry out an emergency repair. This is a very advantageous additional safeguard to further increase the reliability and safety of the valve arrangement.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Koppelelement ein Befestigungselement aufweist, wobei das Befestigungselement geeignet ist lösbar oder unlösbar, vorzugsweise lösbar, an einem elektromechanischen Antrieb befestigt zu werden. Beispiele des Befestigungselements können ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Einbuchtungen, Ausbuchtungen, Gewinden zur Befestigung von Schraubverbindungen und Hohlräumen zur Befestigung mittels Zylinderstiften. Beispielsweise kann das Ende des Koppelelements als Hammerkopf ausgeführt sein, wobei der elektromechanische Antrieb zur Übertragung der translatorischen Bewegung über ein passendes Gegenstück lösbar mit dem Hammerkopfende des Koppelelement verbunden wird.In further embodiments, it is preferred that the coupling element has a fastening element, the fastening element being suitable for being releasably or non-releasably, preferably releasably, for being fastened to an electromechanical drive. Examples of the fastening element can be selected from the group consisting of indentations, bulges, threads for fastening screw connections and cavities for fastening by means of cylinder pins. For example, the end of the coupling element can be designed as a hammer head, the electromechanical drive for transmitting the translatory movement being releasably connected to the hammer head end of the coupling element via a suitable counterpart.
Typscherweise ist es bei vielen Ausführungsformen bevorzugt, dass die Verbindung zwischen Antrieb und beweglichem Element kraftschlüssig oder formschlüssig, mehr bevorzugt formschlüssig, erfolgt. Zwar erzielt auch eine kraftförmige Verbindung sehr gute Ergebnisse. Insbesondere hat sich jedoch die formschlüssige Verbindung für typische Anwendungsfälle als vorteilhafte Verbindungsart erwiesen, um eine hohe Zuverlässigkeit bereitzustellen, wobei die Verbindung jedoch auch schnell wieder gelöst werden kann, um beispielsweise den Antrieb auszutauschen.Typically, it is preferred in many embodiments that the connection between the drive and the movable element is non-positive or positive, more preferably positive. A powerful connection also achieves very good results. In particular, however, the positive connection for typical applications has proven to be an advantageous type of connection in order to provide a high level of reliability, but the connection can also be released again quickly, for example to replace the drive.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Rückseite bzw. die Rückwand mindestens 2 Durchgänge, mehr bevorzugt mindestens 3 Durchgänge, noch mehr bevorzugt mindestens 4 Durchgänge, aufweist. Typischerweise ist es bevorzugt, dass die Durchgänge symmetrisch auf der Rückseite bzw. der Rückwand angeordnet sind. Die Verwendung mehrerer Durchgänge erwies sich insbesondere als vorteilhaft, da hiermit offenbar ein gleichmäßigerer Fluss des Fluids durch das Kolbenelement bzw.die Rückwand erzielt wird und die Bewegung des beweglichen Elements noch gleichmäßiger erfolgen kann, auch wenn die Bewegung sehr schnell erfolgen soll. Dies ist beispielsweise besonders vorteilhaft für Anwendungen wie die Verwendung als Hauptventil oder auch als Ventil in der Fluidstromleitung einer Dampfturbinenanlage zwischen Dampferzeuger und Dampfturbine.In further embodiments, it is preferred that the rear or the rear wall has at least 2 passages, more preferably at least 3 passages, even more preferably at least 4 passages. It is typically preferred that the passages are arranged symmetrically on the rear side or the rear wall. The use of several passages has proven to be particularly advantageous, since this apparently results in a more uniform flow of the fluid through the piston element or the rear wall and the movement of the movable element can take place evenly even if the movement is to take place very quickly. This is particularly advantageous, for example, for applications such as use as a main valve or as a valve in the fluid flow line of a steam turbine system between the steam generator and the steam turbine.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Kontaktkante abgerundet ist und geeignet ist einen Linienkontakt mit dem Ventilsitz bereitzustellen. Hierbei wird typischerweise eine besonders zuverlässige Abdichtung erzielt, wenn der Fluidstorm vollständig gestoppt werden soll.In further embodiments, it is preferred that the contact edge is rounded and is suitable for providing line contact with the valve seat. A particularly reliable seal is typically achieved here if the fluid storm is to be stopped completely.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Fluidstromkontrollelement umfassend eine erfindungsgemäße Ventilanordnung, eine Fluidstromleitung und einer Fluidstromeintrittsöffnung umfassend einen Ventilsitz innerhalb der Fluidstromleitung, wobei der Ventilsitz geeignet ist die Kontaktkante der Ventilanordnung zu kontaktieren. Vorzugsweise findet ein derartiges Fluidstromkontrollelement Einsatz in einer Strömungsmaschinenanlage. Insbesondere ist es hierbei bevorzugt, dass der hierbei kontrollierte Fluidstrom von der Strömungsmaschine zur Energieerzeugung genutzt wird. Überraschenderweise sind die erfindungsgemäßen Fluidstromkontrollelemente auch für die äußerst hohen Anforderungen der Steuerung des in einer Strömungsmaschinenanlage als Energieträger genutzten Fluidstroms geeignet. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Fluidstromkontrollelement besonders vorteilhaft in die Fluidstromleitung vor der Turbine der Strömungsmaschine eingebaut werden.According to a further aspect, the present invention relates to a fluid flow control element comprising a valve arrangement according to the invention, a fluid flow line and a fluid flow inlet opening comprising a valve seat within the fluid flow line, the valve seat being suitable to contact the contact edge of the valve arrangement. Such a fluid flow control element is preferably used in a turbomachine system. In particular, it is preferred that the fluid flow controlled here is used by the turbomachine for energy generation. Surprisingly, the fluid flow control elements according to the invention are also suitable for the extremely high requirements of controlling the fluid flow used as an energy carrier in a turbomachine system. For example, the fluid flow control element according to the invention can be installed particularly advantageously in the fluid flow line upstream of the turbine of the turbomachine.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Fluidstromleitung im Bereich der Ventilanordnung einen Kolbenraum aufweist, wobei der Kolbenraum eine Einbuchtung aufweist, wobei sich die Einbuchtung in Richtung des beweglichen Elements erstreckt. Hierbei wurde beobachtet, dass eine derartige ungleichmäßige Ausformung des Kolbenraums überraschenderweise eine noch besser kontrollierte Bewegung des beweglichen Elements ermöglicht.In further embodiments, it is preferred that the fluid flow line has a piston chamber in the region of the valve arrangement, the piston chamber having an indentation, the indentation extending in the direction of the movable element. It was observed here that such an irregular shape of the piston chamber surprisingly enables an even better controlled movement of the movable element.
Typischerweise ist es bevorzugt, dass die Einbuchtung den Abstand zwischen Kolbenraum und Außenseite des Kolbenelements auf weniger als 75 %, mehr bevorzugt weniger als 65 %, noch mehr bevorzugt auf weniger als 55 %, des durchschnittlichen Abstands zwischen Kolbenraum und Außenseite des beweglichen Elements verengt, bezogen auf den Querschnitt senkrecht zur ersten Achse durch die Mitte des Teils des beweglichen Elements, dass in der Geschlossenstellung aus dem Hohlraum des stationären Elements ragt. Dies resultiert überraschenderweise in einer Stabilisierung des beweglichen Elements, wodurch dessen Abnutzung merklich verringert wird.It is typically preferred for the indentation to reduce the distance between the piston space and the outside of the piston element to less than 75%, more preferably less than 65%, even more preferably reduced to less than 55% of the average distance between the piston space and the outside of the movable element, based on the cross section perpendicular to the first axis through the middle of the part of the movable element that protrudes from the cavity of the stationary element in the closed position. Surprisingly, this results in a stabilization of the movable element, whereby its wear is markedly reduced.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass sich die Einbuchtung über mindestens 3 %, mehr bevorzugt mindestens 5 %, noch mehr bevorzugt mindestens 7 %, des Kolbenraums erstreckt, bezogen auf den Querschnitt senkrecht zur ersten Achse durch die Mitte des Teils des beweglichen Elements, dass in der Geschlossenstellung aus dem Hohlraum des stationären Elements ragt. Insbesondere für Anwendungsfälle bei Fluidströmen mit hohem Druck wie beispielsweise Dampfströmen in Dampfturbinenanlagen hat es sich als vorteilhaft erwiesen die Einbuchtung nicht zu klein zu gestalten. Insbesondere wird hierbei eine hohe Zuverlässigkeit erzielt.In further embodiments, it is preferred that the indentation extends over at least 3%, more preferably at least 5%, even more preferably at least 7%, of the piston space, based on the cross section perpendicular to the first axis through the center of the part of the movable element, that protrudes from the cavity of the stationary element in the closed position. It has proven to be advantageous not to make the indentation too small, in particular for applications in the case of fluid flows at high pressure, such as steam flows in steam turbine systems. In particular, high reliability is achieved here.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass sich die Einbuchtung über höchstens 20 %, mehr bevorzugt mindestens 17 %, noch mehr bevorzugt mindestens 15 %, des Kolbenraums erstreckt, bezogen auf den Querschnitt senkrecht zur ersten Achse durch die Mitte des Teils des beweglichen Elements, dass in der Geschlossenstellung aus dem Hohlraum des stationären Elements ragt. Auch zeigte sich, dass eine zu große Dimensionierung der Einbuchtung typischerweise keine Verbesserung bewirkt. In Einzelfällen kann der mittels der Einbuchtung erzielte positive Effekt hierdurch sogar wieder verringert werden.In further embodiments, it is preferred that the indentation extends over at most 20%, more preferably at least 17%, even more preferably at least 15%, of the piston space, based on the cross section perpendicular to the first axis through the center of the part of the movable element, that protrudes from the cavity of the stationary element in the closed position. It was also found that an excessively large dimensioning of the indentation typically does not bring about any improvement. In individual cases, the positive effect achieved by the indentation can even be reduced as a result.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Fluidstromkontrollelement einen elektromechanischen Antrieb umfasst, der mit dem Koppelelement des beweglichen Elements lösbar oder unlösbar, vorzugsweise lösbar, verbunden ist und wobei der elektromechanische Antrieb geeignet ist das bewegliche Element entlang der ersten Achse zu bewegen. Insbesondere die lösbare Verbindung mit einem leicht auswechselbaren elektromechanischen Antrieb erlaubt überraschenderweise einen schnellen und sicheren Austausch des Antriebs auch im laufenden Betrieb.In further embodiments, it is preferred that the fluid flow control element comprises an electromechanical drive which is releasably or non-releasably, preferably releasably, connected to the coupling element of the movable element and wherein the electromechanical drive is suitable for moving the movable element along the first axis. In particular, the detachable connection with an easily exchangeable electromechanical drive surprisingly allows the drive to be replaced quickly and safely even during operation.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Strömungsmaschinenanlage umfassend mindestens eine erfindungsgemäße Ventilanordnung und/oder ein erfindungsgemäßes Fluidstromkontrollelement.According to a further aspect, the present invention relates to a turbomachine system comprising at least one valve arrangement according to the invention and / or a fluid flow control element according to the invention.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Strömungsmaschinenanlage eine Dampfturbinenanlage ist. Beispielsweise resultiert der typischerweise hierbei verwendeter hoher Dampfdruck in besonders hohen erforderlichen Stellkräften zur Regelung eines gebräuchlichen Ventils, wodurch derartige Strömungsmaschinenanlagen besonders von den erfindungsgemäßen Ventilanordnungen und Fluidstromkontrollelementen profitieren.In further embodiments, it is preferred that the turbomachine system is a steam turbine system. For example, the high vapor pressure typically used here results in particularly high actuating forces required for regulating a conventional valve, as a result of which such turbomachine systems particularly benefit from the valve arrangements and fluid flow control elements according to the invention.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Ventilanordnung und/oder das Fluidstromkontrollelement in der Dampfleitung zwischen Dampferzeuger und Dampfturbine angeordnet sind. Da hier typischerweise die höchsten Dampfdrücke vorhanden sind, erweisen sich die erfindungsgemäßen Vorteile als besonders groß.In further embodiments, it is preferred that the valve arrangement and / or the fluid flow control element are arranged in the steam line between the steam generator and the steam turbine. Since the highest vapor pressures are typically present here, the advantages according to the invention prove to be particularly great.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Ventilanordnung und/oder das Fluidstromkontrollelement Bestandteil der Hauptabsperrung ist. Insbesondere ist es typischerweise bevorzugt, dass die Ventilanordnung und/oder das Fluidstromkontrollelement hierbei als Schnellschlussventil fungieren. Da hierbei geringere Kräfte aufgewendet werden müssen und gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit erzielt wird, hat sich der Einsatz an dieser Stelle als besonders vorteilhaft erwiesen.In further embodiments, it is preferred that the valve arrangement and / or the fluid flow control element is part of the main shutoff. In particular, it is typically preferred that the valve arrangement and / or the fluid flow control element function as a quick-closing valve. Since lower forces have to be applied and high reliability is achieved at the same time, use at this point has proven to be particularly advantageous.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Ventilanordnung und/oder das Fluidstromkontrollelement Bestandteil eines Entnahmeregelventils ist. Beispielsweise kann hierbei ein Teil des Fluidstroms entnommen werden, um beispielsweise zur Aufheizung eines Vorwärmers vor dem Dampferzeuger eingesetzt zu werden. Auch kann hierbei beispielsweise ein Teil des Fluidstroms entnommen und als Prozessdampf eingesetzt werden.In further embodiments, it is preferred that the valve arrangement and / or the fluid flow control element is part of a removal control valve. For example, part of the fluid flow can be removed here, for example, to be used for heating a preheater in front of the steam generator. Part of the fluid flow can also be removed and used as process steam, for example.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung oder Instandsetzung einer Strömungsmaschinenanlage, vorzugsweise einer Dampfturbinenanlage, wobei das Verfahren den Einbau oder die Instandsetzung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung oder eines erfindungsgemäßen Fluidstromkontrollelements umfasst.According to a further aspect, the present invention relates to a method for providing or repairing a turbomachine system, preferably a steam turbine system, the method comprising installing or repairing a valve arrangement according to the invention or a fluid flow control element according to the invention.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Verfahren den zumindest teilweisen Austausch eines vorhandenen Fluidstromkontrollelements umfassend einen Hochdruckhydraulikantrieb zur Bereitstellung eines erfindungsgemäßen Fluidstromkontrollelements umfassend einen Niederdruckhydraulikantrieb oder einen elektromechanischen Antrieb umfasst. Vorzugsweise bezieht sich der Begriff „Hochdruckhydraulikantrieb“ auf einen Antrieb mit mindestens 60 bar, mehr bevorzugt mindestens 80 bar, Druck. Ferner bezieht sich der Begriff „Niederdruckantrieb“ im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise auch einen Antrieb mit einem Druck von höchstens 30 bar, mehr bevorzugt höchstens 20 bar, noch mehr bevorzugt höchstens 10 bar. Bei derartigen Upgradeverfahren werden für typische Anwendungen besonders große Verbesserungen erzielt.In further embodiments, it is preferred that the method comprises the at least partial replacement of an existing fluid flow control element comprising a high-pressure hydraulic drive for providing a fluid flow control element according to the invention comprising a low-pressure hydraulic drive or an electromechanical drive. The term “high-pressure hydraulic drive” preferably refers to a drive with at least 60 bar, more preferably at least 80 bar, pressure. The term "low pressure drive" also refers to the present invention preferably also a drive with a pressure of at most 30 bar, more preferably at most 20 bar, even more preferably at most 10 bar. With such upgrade methods, particularly large improvements are achieved for typical applications.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Verfahren den zumindest teilweisen Austausch eines vorhandenen Fluidstromkontrollelements umfassend einen nicht elektromechanischen Antrieb gegen ein erfindungsgemäßes Fluidstromkontrollelement umfassend einen elektromechanischen Antrieb umfasst. Wie bereits beschrieben wurde, bietet der gemäß der vorliegenden Erfindung mögliche Wechsel des Antriebssystems in Verbindung mit der hohen Zuverlässigkeit des Fluidstromkontrollelements eine besonders vorteilhafte Kombination für typische Strömungsmaschinenanlagen wie insbesondere Dampfturbinenanlagen.In further embodiments, it is preferred that the method comprises the at least partial replacement of an existing fluid flow control element comprising a non-electromechanical drive with a fluid flow control element according to the invention comprising an electromechanical drive. As has already been described, the change of the drive system possible in accordance with the present invention in connection with the high reliability of the fluid flow control element offers a particularly advantageous combination for typical turbomachine systems such as steam turbine systems in particular.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung oder eines erfindungsgemäßen Fluidstromkontrollelements zur Regelung des Fluidstroms einer Strömungsmaschinenanlage, vorzugsweise einer Dampfturbinenanlage. Unter Regelung werden hierbei insbesondere die Einstellung eines gewünschten Dampfdrucks sowie insbesondere das Blockieren des Fluidstroms verstanden. Überraschenderweise erlaubt die erfindungsgemäße Ventilanordnung und das erfindungsgemäße Fluidstromkontrollelement nicht nur einen zuverlässigen Verschluss der Fluidstromleitung, sondern erlaubt auch eine präzise Verringerung oder Vergrößerung des Fluidstroms. Insbesondere in Kombination mit dem elektromechanischen Antrieb erlaubt dies eine schnelle und präzise Regelung je nach den gegenwärtigen Anforderungen. Zwar kann eine erfindungsgemäße Ventilanordnung oder eine erfindungsgemäße Fluidstromkontrollelement theoretisch auch zur Regelung eines sekundären Fluidstroms wie eines Hydraulikölstroms genutzt werden, jedoch wird es besonders bevorzugt für die Regelung des für die Energieerzeugung in einer Strömungsmaschine genutzten Fluidstroms genutzt. Hierbei erwies es sich als besonders vorteilhaft.According to a further aspect, the present invention relates to the use of a valve arrangement according to the invention or a fluid flow control element according to the invention for regulating the fluid flow of a turbomachine system, preferably a steam turbine system. In this context, regulation means in particular the setting of a desired vapor pressure and in particular the blocking of the fluid flow. Surprisingly, the valve arrangement according to the invention and the fluid flow control element according to the invention not only allow reliable closure of the fluid flow line, but also allow a precise reduction or enlargement of the fluid flow. Especially in combination with the electromechanical drive, this allows fast and precise control depending on the current requirements. Although a valve arrangement according to the invention or a fluid flow control element according to the invention can theoretically also be used for regulating a secondary fluid flow such as a hydraulic oil flow, it is particularly preferably used for regulating the fluid flow used for energy generation in a turbomachine. Here it turned out to be particularly advantageous.
Die Fluidstromleitung
Die Ventilanordnung
Die Ventilanordnung
Die bewegliche Struktur umfasst ein Kolbenelement
Ferner kennzeichnet das Kolbenelement
Das Koppelelement
Das Koppelelement
Das Fluidstromkontrollelement kann bei neuen Strömungsmaschinenanlagen eingesetzt werden, jedoch auch beispielsweise im Rahmen eines Upgrades in bestehende Anlage integriert werden. Die einfache Wartung, die beispielsweise einen einfachen Austausch des elektromechanischen Antriebs
Im Rahmen eines entsprechenden Upgrades wird hierbei einfach zumindest ein Teil des Fluidstromkontrollelements, insbesondere die bestehende Ventilanordnung und der bestehende Antrieb ausgetauscht, wobei eine bestehende Zuleitung einer Hochdruckhydraulik stillgelegt werden kann. Nachfolgend kann über bestehende oder neue Kontrollelektronik eine direkte Regelung erfolgen und im Falle eines Schadens direkt eine Reparatur unabhängig von einem gegebenenfalls noch vorhandenen Hochdruckhydrauliksystems im Rest der Strömungsmaschinenanlage vorgenommen werden. Insbesondere vorteilhaft erwies sich der Austausch des bestehenden Antriebs gegen einen elektromechanischen Antrieb
Analog dem in
Die vorliegende Erfindung wurde zur Erläuterungszwecken anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Die Erfindung soll jedoch nicht auf die konkrete Ausgestaltung dieser Ausführungsbeispiele beschränkt sein. Vielmehr soll der Schutzbereich der Erfindung lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.The present invention has been described in more detail for the purposes of illustration using exemplary embodiments. However, the invention is not intended to be limited to the specific embodiment of these exemplary embodiments. Rather, the scope of the invention is to be limited only by the appended claims.
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